Tranzistory BI-CiAO Číslicové a analogové obvody 4. přednáška © Martin Novotný ČVUT v Praze, FIT, 2009-2012
Tranzistory Unipolární
Bipolární
NPN
PNP
MOSFET NMOS
CMOS
PMOS
MESFET
JFET
Tranzistory Unipolární
Bipolární proudem řízené
napětím řízené
– zdroje proudu
– zdroje proudu
– spínače
– spínače
C B
E B
E
NPN
G
G
C
PNP
S
D
S
NMOS
D
PMOS
Bipolární tranzistor
Bipolární tranzistor
má tři nožičky: B
– báze C – kolektor E – emitor
C B
E
Bipolární tranzistor
proudem řízený zdroj proudu malý proud IB (do báze) spustí velký proud IC (kolektorem) IC IB
C B
U
E
U
Bipolární tranzistor
proudem řízený zdroj proudu malý proud IB (do báze) spustí velký proud IC (kolektorem) IC IB
C B
U
E
U
Bipolární tranzistor
proudem řízený zdroj proudu malý proud IB (do báze) spustí velký proud IC (kolektorem)
≈ 10Ω Ω–1kΩ Ω
IC ≈ 1kΩ Ω–100kΩ Ω
U
IB
C B
E
U
Princip činnosti – analogie kolektor
báze velký proud IC
malý proud IB emitor
Bipolární tranzistor jako zesilovač
zesiluje proud zesilovací činitel: β (nebo h21) IC = β × IB β ≈ 10 - 1000
IC
IB
C B
U
IB+IC
E
U
Bipolární tranzistor jako zesilovač
zesiluje proud zesilovací činitel: β (nebo h21) IC = β × IB jak zesílit napětí? Potřebujeme
IC
rezistor: U = R × I IB
C B
U
IB+IC
E
U
Experiment žárovka
U C B
U
E
Odbočka: jak se měří napětí
R
UR V IR A
Napětí se měří voltmetrem Voltmetr je něco jako tlakoměr Napětí je něco jako „rozdíl tlaků na vstupu a na výstupu“, proto se jedna sonda voltmetru přikládá na „vstupní“ kontakt a druhá na „výstupní“ kontakt součástky Voltmetr se VŽDY zapojuje paralelně k měřené součástce Ideální voltmetr má nekonečný vnitřní odpor (RV = ∞)
Odbočka: jak se měří proud
R
UR V IR A
Proud se měří ampérmetrem Ampérmetr je něco jako průtokoměr Proud je něco jako „průtok“, proto se ampérmetr vkládá do obvodu (obvod je třeba rozpojit a do rozpojeného místa vložit ampérmetr) Ampérmetr se VŽDY zapojuje SÉRIOVĚ s měřenou součástkou Ideální ampérmetr má nulový vnitřní odpor (RA = 0)
Experiment žárovka
U C B
U
E
Experiment žárovka
U IB
C
A U
B
E
Experiment žárovka
IC
A IB
C
A U
B
E
U
Experiment žárovka
IC
A IB
C B
A U
V
E
UBE
U
U1=5V, U2=5V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
RC
U2 RB U1
U1
C B
E
U2
U1=5V, U2=5V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V RC
U2 RB U1
U1
C B
UBE
E
U2
U1=5V, U2=5V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V RC
U2 RB U1
U1
URB
C B
UBE
E
U2
U1=5V, U2=5V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/50000=86µ µA RC
RB U1
U1
URB
U2
IB
C B
UBE
E
U2
U1=5V, U2=5V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/50000=86µ µA IC= β×IB=8,6mA
RC IC
RB U1
U1
URB
IB
C B
UBE
E
U2 U2
U1=5V, U2=5V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/50000=86µ µA IC= β×IB=8,6mA URC=RC×IC=200×0,0086=1,72V
RC U RC IC
RB U1
U1
URB
IB
C B
UBE
E
U2 U2
U1=5V, U2=5V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/50000=86µ µA IC= β×IB=8,6mA URC=RC×IC=200×0,0086=1,72V UCE=U2-URC=5-1,72=3,28V RB
RC U RC IC IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
U1=5V, U2=10V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/50000=86µ µA IC= β×IB=8,6mA URC=RC×IC=200×0,0086=1,72V UCE=U2-URC=10-1,72=8,28V RB
RC U RC IC IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
U1=5V, U2=10V, RB=50kΩ, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/50000=86µ µA IC= β×IB=8,6mA URC=RC×IC=200×0,0086=1,72V UCE=U2-URC=10-1,72=8,28V RB
RC U RC IC IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
U1=5V, U2=10V, RB=25kΩ Ω, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/25000=172µ µA IC= β×IB=17,2mA URC=RC×IC=200×0,0172=3,44V UCE=U2-URC=10-3,44=6,56V RB
RC U RC IC IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
U1=5V, U2=10V, RB=10kΩ Ω, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/10000=430µ µA IC= β×IB=43mA URC=RC×IC=200×0,043=8,6V UCE=U2-URC=10-8,6=1,4V RB
RC U RC IC IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
U1=5V, U2=10V, RB=5kΩ Ω, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/5000=860µ µA IC= β×IB=86mA URC=RC×IC=200×0,086=17,2V UCE=U2-URC=10-17,2=-7,2V RB
RC U RC IC IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
U1=5V, U2=10V, RB=5kΩ Ω, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/5000=860µ µA IC= β×IB=86mA URC=RC×IC=200×0,086=17,2V UCE=U2-URC=10-17,2=-7,2V RB
???
RC U RC IC IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
U1=5V, U2=10V, RB=5kΩ Ω, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/5000=860µ µA IC= β×IB=86mA URC=RC×IC=200×0,086=17,2V UCE=U2-URC=10-17,2=-7,2V
tranzistor je v saturaci = zcela otevřený
RB
UCE ≈ 0,2V
RC U RC IC IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
U1=5V, U2=10V, RB=5kΩ Ω, RC=200Ω, β=100
Příklad
UBE=0,7V ⇒ URB=U1-UBE=4,3V IB=URB/RB=4,3/5000=860µ µA URC=U2-UCE=10-0,2=9,8V IC=URC/RC=9,8/200=49mA
RC U RC IC
tranzistor je v saturaci = zcela otevřený
RB
UCE ≈ 0,2V
IB
U2
C
U2
B
UCE U1
U1
URB
UBE
E
Bipolární tranzistor – režimy a jejich modely B
C
Vypnutý IB=0
Zesilovač IB>0, IC=β× β×I β× B
Plně sepnutý (saturace) IB>>0
E
B 0,7 V
IB
U
IC
C
I E
B 0,7 V
C
U E
Bipolární tranzistor – režimy a jejich přesnější modely B
C
Vypnutý IB=0
Zesilovač
E
B
Plně sepnutý (saturace) IB>>0
C
I
IB>0, IC=β× β×I β× B
IC
IB
E
B
C
U
0,2 V E
Unipolární tranzistor
Unipolární tranzistor
má tři nožičky: G
– gate D – drain S – source
D G
S
Unipolární tranzistor
napětím řízený zdroj proudu velikost napětí UGS řídí velikost proudu ID ID D
U
G
UGS
S
U
Princip činnosti – analogie ventil píst pružina GATE
SOURCE
DRAIN
Unipolární tranzistor jako zesilovač
napětím řízený zdroj proudu K (U GS − U th ) 2 ID = 2 ID D
U
G
UGS
S
U
Unipolární tranzistor jako zesilovač
napětím řízený zdroj proudu K (U GS − U th ) 2 ID = 2 Uth – prahové napětí (threshold)
ID D
U
G
UGS
S
U
Unipolární tranzistor jako zesilovač
napětím řízený zdroj proudu
K (U GS − U th ) 2 ID = 2 jak zesílit napětí?
ID
Potřebujeme
rezistor: U = R × I
D
U
G
UGS
S
U
Experiment
U
U D G
UGS
S
Experiment skutečné zapojení ale dál budeme používat předchozí ekvivalentní schéma
U D G
UGS
S
Experiment
U
U D G
UGS
S
Experiment
U
U D G
V
UGS
S
Experiment
A U
U D G
V
UGS
S
Experiment
nulový proud
U
A
A
U D G
V
UGS
S
Experiment
U
U D G
UGS
S
Experiment USG
S
G
D
U
U
Experiment USG
S
G
D
U
U D G
UGS
S
Unipolární tranzistor – režimy G
Vypnutý
D
UGS
UGS
Zesilovač
K (U GS − U th ) 2 UGS>Uth, I D = 2
Plně sepnutý UGS>>Uth
S
ID
G
UGS
D
I S
G
D
UGS S
